特許 7462062 水酸化マグネシウム含有熱界面材料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-27

(45)【発行日】2024-04-04

(54)【発明の名称】水酸化マグネシウム含有熱界面材料

(51)【国際特許分類】

   C08L 101/00 20060101AFI20240328BHJP

   C01F 5/14 20060101ALI20240328BHJP

   C01F 7/02 20220101ALI20240328BHJP

   C08K 3/22 20060101ALI20240328BHJP

   C08L 75/04 20060101ALI20240328BHJP

   C08K 7/16 20060101ALI20240328BHJP

   C09K 5/14 20060101ALN20240328BHJP

【ＦＩ】

C08L101/00

C01F5/14

C01F7/02

C08K3/22

C08L75/04

C08K7/16

C09K5/14 E

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022554882

(86)(22)【出願日】2020-03-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-02

(86)【国際出願番号】 CN2020079110

(87)【国際公開番号】W WO2021179276

(87)【国際公開日】2021-09-16

【審査請求日】2023-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】519415100

【氏名又は名称】ディディピー スペシャルティ エレクトロニック マテリアルズ ユーエス，エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100092783

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100095360

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 英二

(74)【代理人】

【識別番号】100120134

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 規雄

(72)【発明者】

【氏名】フー、イーチン

【審査官】西山 義之

(56)【参考文献】

【文献】特表２００６－５２６６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１７９８８１８（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２０３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０３１７６４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１４－５０３６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６６４４３９５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２００９－２８６６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３４２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２２０２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０８Ｌ １／００－１０１／１４

Ｃ０１Ｆ ５／００－５／２２

Ｃ０８Ｋ ３／００－７／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱界面材料（ＴＩＭ）組成物であって、前記組成物の総重量が合計で１００重量％になるものとして、
ａ）ポリマー系バインダー成分と、
ｂ）２０～１００μｍの範囲の体積平均粒子径Ｄ_５０を有する５０～９０重量％の球状水酸化マグネシウム粒子と、
を含む熱界面材料（ＴＩＭ）組成物。

【請求項2】

前記球状水酸化マグネシウム粒子が１～３０ｍｌ／１００ｇの吸油値を有する、請求項１に記載の熱界面材料組成物。

【請求項3】

前記ポリマー系バインダー成分が、前記組成物の総重量を基準として１０～５０重量％のレベルで存在する、請求項１に記載の熱界面材料組成物。

【請求項4】

前記ポリマー系バインダー成分がポリウレタンベースの材料から形成される、請求項１に記載の熱界面材料組成物。

【請求項5】

前記球状水酸化マグネシウム粒子が２５～６０μｍの範囲の体積平均粒子径Ｄ_５０を有する、請求項１に記載の熱界面材料組成物。

【請求項6】

前記球状水酸化マグネシウム粒子が３０～５０μｍの範囲の体積平均粒子径Ｄ_５０を有する、請求項１に記載の熱界面材料組成物。

【請求項7】

２～５０重量％の球状酸化アルミニウム粒子をさらに含む、請求項１に記載の熱界面材料組成物。

【請求項8】

前記球状酸化アルミニウム粒子が５～１００μｍの範囲の体積平均粒子径Ｄ_５０を有する、請求項７に記載の熱界面材料組成物。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載の熱界面材料組成物を含む物品。

【請求項10】

１つ以上の電池セルと冷却ユニットとから形成される電池モジュールを更に含み、前記電池モジュールは、前記熱界面材料組成物を介して前記冷却ユニットに接続される、請求項９に記載の物品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱界面材料及び電池式自動車におけるそれらの使用に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の移動様式と比較して、電池式自動車は、軽量、低減されたＣＯ_２排出量等などの重要な利点を提供する。しかしながら、この技術の最適な利用を確実にするために、依然として多くの技術的問題を克服する必要がある。例えば、業界で現在行われている取り組みの１つは、高エネルギー密度の電池を開発することによって電池式自動車の走行距離を伸ばすことである。そしてこれは、高エネルギー密度電池のためのより優れた熱管理システムを開発する必要性につながる。

【0003】

電池式自動車では、電池セル又はモジュールは熱界面材料（ＴＩＭ）によって冷却ユニットに熱的に接続される。そのようなＴＩＭは、典型的には熱伝導性充填剤が充填されたポリマー系材料から形成される。２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を達成するために、窒化ホウ素又はアルミニウム粉末などの１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する充填剤を使用することができる。しかしながら、そのような充填剤は高価であり、或いは粘着性のポンピングシステムを研磨する。より安価で非研磨性の代替品は、三水酸化アルミニウム（ＡＴＨ）である。しかしながら、熱伝導率の低さのため、高添加量のＡＴＨ（すなわち８０重量％以上）が必要とされる。他方で、そのような高添加量のＡＴＨは、高粘度をもたらすことが多く、その結果高い熱インピーダンスが引き起こされる。さらに、ＡＴＨの表面の大量の残留水のため、ポリウレタンベースのＴＩＭには適していない。したがって、熱伝導性が高く、コスト効率が高く、低粘度であるＴＩＭを開発することが依然として求められている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

本明細書では、熱界面材料（ＴＩＭ）組成物であって、組成物の総重量が合計で１００重量％になるものとして、ａ）ポリマー系バインダー成分と、ｂ）約２０～１００μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する約５０～９０重量％の球状水酸化マグネシウム粒子と、を含む熱界面材料（ＴＩＭ）組成物が開示される。

【0005】

熱界面材料の一実施形態では、球状水酸化マグネシウム粒子は、約１～３０ｍｌ／１００ｇの吸油値を有する。

【0006】

熱界面材料のさらなる実施形態では、ポリマー系バインダー成分は、組成物の総重量を基準として約１０～５０重量％のレベルで存在する。

【0007】

熱界面材料のさらに別の実施形態では、ポリマー系バインダー成分は、ポリウレタンベースの材料から形成される。

【0008】

熱界面材料のさらに別の実施形態では、球状水酸化マグネシウム粒子は、約２５～６０μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する。

【0009】

熱界面材料のさらに別の実施形態では、球状水酸化マグネシウム粒子は、約３０～５０μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する。

【0010】

熱界面材料のさらに別の実施形態では、熱界面材料は、約２～５０重量％の球状酸化アルミニウム粒子をさらに含む。

【0011】

熱界面材料のさらに別の実施形態では、球状酸化アルミニウム粒子は、約５～１００μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する。

【0012】

本明細書では、上記で提供された熱界面材料組成物を含む物品が更に提供される。

【0013】

物品の一実施形態において、物品は、１つ以上の電池セルと冷却ユニットとから形成される電池モジュールを更に含み、電池モジュールは、熱界面材料組成物を介して冷却ユニットに接続される。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本明細書では、熱界面材料（ＴＩＭ）組成物であって、組成物の総重量が合計で１００重量％になるものとして、ａ）ポリマー系バインダー成分と、ｂ）約５０～９０重量％の球状水酸化マグネシウム粒子と、を含む熱界面材料（ＴＩＭ）組成物が開示される。

【0015】

ポリマー系バインダー成分は、限定するものではないが、ポリウレタン、エポキシ、シリコーン、変性シリコーン、アクリレートなどに基づくバインダー材料を含む任意の適切なポリマー系材料から形成することができる。一実施形態では、ポリマー系バインダー成分は、２液型ポリウレタンベースのバインダー材料から形成される。

【0016】

本開示によれば、ポリマー系バインダー成分は、ＴＩＭ組成物の総重量を基準として約５～５０重量％、又は約１０～４０重量％、又は約１０～３０重量％のレベルでＴＩＭ中に存在し得る。

【0017】

本明細書で使用される水酸化マグネシウム粒子は球形である。「球状」又は「球状」という用語は、本明細書では、等角形状、すなわち、一般的に言えば広がり（粒径）がいずれの方向でもほぼ同じである形状を指すために使用される。特に、粒子が等角であるためには、粒子の凸包の幾何学的中心と交差する弦の最大長と最小長の比が、最小の等角正多面体、すなわち四面体の比を超えてはならない。粒子の形状は、多くの場合、粒子の長径／粒子の厚さで表されるアスペクト比によって定義される。本開示によれば、球形又は球状の水酸化マグネシウム粒子のアスペクト比は、約１～２の範囲である。

【0018】

粒径分布Ｄ_５０は、粒径分布のメジアン径又はメジアン値としても知られており、累積分布の５０％における粒径の値である。例えば、Ｄ_５０＝１０μｍである場合、サンプル中の粒子の５０体積％が１０μｍより大きい平均径を有し、粒子の５０体積％が１０μｍより小さい平均径を有する。粒径分布Ｄ_５０は、例えばＡＳＴＭ Ｂ８２２－１０に従う光散乱法を使用して決定することができる。本開示によれば、本明細書で使用される球状水酸化マグネシウム粒子は、約２０～１００μｍ、又は約２５～６０μｍ、又は約３０～５０μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する。さらに、本明細書で使用される球状水酸化マグネシウム粒子は、約１～３０ｍｌ／１００ｇ、又は約３～２０ｍｌ／１００ｇ、又は約３～８ｍｌ／１００ｇの吸油値を有し得る。加えて、本明細書で使用される球状水酸化マグネシウム粒子は、例えば脂肪酸、シラン、ジルコニウム系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、カルボキシレート等で表面処理されていてもよい。

【0019】

本開示によれば、球状マグネシウム粒子は、ＴＩＭ組成物の総重量を基準として約５０～９５重量％、又は約５５～９０重量％、又は約６０～８５重量％のレベルで組成物中に存在し得る。

【0020】

球状水酸化マグネシウム粒子に加えて、球状酸化アルミニウム粒子もＴＩＭ組成物に添加することができる。本明細書で使用される球状酸化アルミニウム粒子は、約５～１００μｍ、又は約１０～８０μｍ、又は約２０～６０μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有し得る。また、球状酸化アルミニウム粒子は、ＴＩＭ組成物の総重量を基準として約２～５０重量％、又は約２～４０重量％、又は約２～３０重量％のレベルでＴＩＭ組成物中に存在し得る。

【0021】

さらに、本明細書に開示のＴＩＭ組成物は、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素などの他の熱伝導性粒子を任意選択的にさらに含んでいてもよい。本明細書に開示のＴＩＭ組成物は、触媒、可塑剤、安定剤、接着促進剤、充填剤、着色剤などの他の適切な添加剤も含んでいてもよい。そのような任意選択的な添加剤は、ＴＩＭの総重量を基準として最大約１０重量％、又は最大約８重量％、又は最大約５重量％のレベルで存在し得る。

【0022】

実施例によって以下で示されるように、球状の水酸化マグネシウム粒子を配合することによって、高い熱伝導率を有するＴＩＭ材料が得られた。さらに、球状の酸化アルミニウム粒子をさらに添加すると、ＴＩＭ材料の粘度がさらに低下する。これは、ＴＩＭ材料に非常に望ましい特徴である。

【0023】

本明細書では、電池パックシステムであって、その中の冷却ユニット又はプレートが上述したＴＩＭを介して電池モジュール（１つ以上の電池セルから形成される）に結合されており、その結果熱をそれらの間で伝導することができる、電池パックシステムが更に開示される。一実施形態では、電池パックシステムは電池式自動車で使用されるものである。

【実施例】

【0024】

材料
・プレポリマー － ポリオキシプロピレンジオールと、ポリオキシプロピレントリオールと、ジフェニルメタン－４，４’－ジイソシアネートとの反応によって調製されたプレポリマー；
・ＰＴＳＩ － ＶａｎＤｅＭａｒｋ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから入手したｐ－トルエンスルホニルイソシアネート；
・ＨＤＩ － Ｃｏｖｅｓｔｒｏから商品名Ｎ３４００として入手したヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）；
・可塑剤 － 商品名Ｐｌａｓｔｈａｌｌ（商標）１９０としてＨａｌｌｓｔａｒから入手したポリエステル系可塑剤；
・シラン － Ｅｖｏｎｉｋから商品名Ｄｙｎａｓｙｌａｎ（商標）４１４８として入手したポリエチレングリコール官能性アルコキシシラン；
・Ｍｇ（ＯＨ）_２－Ｓ － Ｗｅｉｆａｎｇ Ｈａｏｌｏｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣＯ．，ＬＴＤからグレード番号ＨＬＧ－０５として入手した球状水酸化マグネシウム粒子、粒径分布Ｄ_５０は４６μｍであり、吸油値は約５ｍｌ／１００ｇである；
・Ｍｇ（ＯＨ）_２－Ｐ － Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｈａｉｃｈｅｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣＯ，．ＬＴＤからグレード番号ＨＭ－１５として入手した板状水酸化マグネシウム粒子、粒径分布Ｄ_５０は３～４μｍであり、吸油値は約３７ｍｌ／１００ｇである；
・触媒 － ６７％ジプロピレングリコールに溶解した３３％トリエチレンジアミン、Ｅｖｏｎｉｋから商品名Ｄａｂｃｏ（商標）３３－ＬＶとして入手；
・Ａｌ_２Ｏ_３ － Ａｎｈｕｉ Ｅｓｔｏｎｅからグレード名ＳＬＡ４５として入手した球状酸化アルミニウム粒子、粒径分布Ｄ_５０は４９μｍである；
・ポリオール－１ － Ｄｏｎｇｄａ Ｃｈｅｍｉｃａｌから入手したポリエーテルポリオール；
・ポリオール－２ － Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから商品名Ｖｏｒａｎｏｌ（商標）４７０１として入手したポリエーテルポリオール。

【0025】

【表1】

【0026】

実施例Ｅ１～Ｅ２及び比較例ＣＥ１
Ｅ１～Ｅ２及びＣＥ１のそれぞれにおけるＴＩＭ組成物の成分は表１にまとめられている。最初に、各サンプルのＡ液及びＢ液を次のように調製した：二重非対称遠心分離を使用して全ての成分を混合する（液体成分を最初に混合してから固体成分を添加）；混合物を真空下で約３０分間混合する；混合物を２成分カートリッジに保管する。次いで、Ｅ１～Ｅ２のそれぞれのＡ液及びＢ液の粘度を、ＴＡ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＡＲ１５００ＥＸレオメーターを使用して１０Ｓ^－１のせん断速度で測定した。結果は表１に示されている。ＣＥ１については、Ａ液又はＢ液で均一な分散液が得られなかった。

【0027】

Ｅ１とＥ２で最終的なＴＩＭペーストを得るために、２成分バッテリーガンとスタティックミキサーとを使用して、Ａ液とＢ液を１：１の重量比で混合した。ＴＩＭペーストの熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｄ５４７０に従ってサンプル厚さ１、２、及び３ｍｍで測定し、ＴＩＭペーストの重ねせん断強さは、ＥＮ１４６５に従ってサンプル厚さ１ｍｍで測定した。結果は表１にまとめられている。

【0028】

サンプルから示されるように、球状の水酸化マグネシウム粒子を配合することにより、高い熱伝導率を有する均一なＴＩＭペーストが得られた。さらに、球状酸化アルミニウム粒子をさらに添加すると、ＴＩＭペーストの粘度がさらに低下する。
本願発明には以下の態様が含まれる。
項１．
熱界面材料（ＴＩＭ）組成物であって、前記組成物の総重量が合計で１００重量％になるものとして、
ａ）ポリマー系バインダー成分と、
ｂ）約２０～１００μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する約５０～９０重量％の球状水酸化マグネシウム粒子と、
を含む熱界面材料（ＴＩＭ）組成物。
項２．
前記球状水酸化マグネシウム粒子が約１～３０ｍｌ／１００ｇの吸油値を有する、項１に記載の熱界面材料組成物。
項３．
前記ポリマー系バインダー成分が、前記組成物の総重量を基準として約１０～５０重量％のレベルで存在する、項１に記載の熱界面材料組成物。
項４．
前記ポリマー系バインダー成分がポリウレタンベースの材料から形成される、項１に記載の熱界面材料組成物。
項５．
前記球状水酸化マグネシウム粒子が約２５～６０μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する、項１に記載の熱界面材料組成物。
項６．
前記球状水酸化マグネシウム粒子が約３０～５０μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する、項１に記載の熱界面材料組成物。
項７．
約２～５０重量％の球状酸化アルミニウム粒子をさらに含む、項１に記載の熱界面材料組成物。
項８．
前記球状酸化アルミニウム粒子が約５～１００μｍの範囲の粒径分布Ｄ_５０を有する、項７に記載の熱界面材料組成物。
項９．
項１～８のいずれか一項に記載の熱界面材料組成物を含む物品。
項１０．
１つ以上の電池セルと冷却ユニットとから形成される電池モジュールを更に含み、前記電池モジュールは、前記熱界面材料組成物を介して前記冷却ユニットに接続される、項１０に記載の物品。